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線纜系統(tǒng)抗輻射噪聲干擾仿真應(yīng)用案例
1.摘要
系統(tǒng)級輻射抗擾度測試（Radiated Immunity）是EMC的一個重要測試項目，如汽車EMC的ISO11451-2測試。平臺上線纜子系統(tǒng)的抗輻射噪聲將直接影響整個系統(tǒng)的輻射抗擾能力，因此有必要分析線束系統(tǒng)的抗輻射能力。本案例采用Ansys EMA3D Cable軟件分析車載復(fù)雜線纜束的抗輻射噪聲，演示仿真流程以及計算結(jié)果。
2.仿真思路
本案例通過導(dǎo)入汽車CAD模型以及線纜束設(shè)計文件Cable Harness（KBL格式）構(gòu)建車載線束系統(tǒng)，分析在平面波激勵下線束上的干擾電壓、電流噪聲以及車輛上的感應(yīng)電流。
3詳細(xì)仿真流程與結(jié)果
3.1軟件與環(huán)境
軟件版本為Ansys EMA3D Cable 2021R2。EMA3D Cable集成了時域有限差分算法FDTD和多導(dǎo)體傳輸線求解技術(shù)MTL，為平臺級線纜束的EMC分析提供解決方案。
3.2仿真流程
3.2.1模型導(dǎo)入與求解區(qū)域定義
下圖為導(dǎo)入的汽車CAD模型，其中包含車身、車內(nèi)框架、輪轂、輪胎以及尾部電子設(shè)備。首先在Domain中定義仿真頻率、求解區(qū)域、網(wǎng)格尺寸、邊界條件以及并行分區(qū)數(shù)目。其中FDTD的時間步長、空間步長、Start time、End time均基于指定的最低頻率和最高頻率計算得到，其中Lowest Frequency = 1/tend,
。求解區(qū)域Domain具體設(shè)置如下：仿真頻率和時間：Lowest Frequency定義為1MHz，Highest Frequency定義為1.25GHz，End Time定義為1E-6s，Step Time定義為4E-11s。求解區(qū)域：Minimum X：-6240 mm，Y：-2340 mm，Z：-1200 mm；Maximum X：4200 mm，Y：3390 mm，Z：2400 mm。網(wǎng)格尺寸：Step Size：30 mm。邊界條件設(shè)置為PML。
圖 1 車輛CAD模型導(dǎo)入及求解區(qū)域Domain定義
3.2.2材料定義
仿真前需要對所有幾何模型賦材料，EMA3D的Mesh僅對賦予了材料的幾何進(jìn)行網(wǎng)格剖分。下面創(chuàng)建各向同性材料Steel、Aluminum和Rubber。
表 1 材料參數(shù)列表
3.2.3 KBL格式的線纜數(shù)據(jù)導(dǎo)入
將材料Steel賦給幾何carshell，frame，wheelshields以及enclosures，將材料Aluminum賦給幾何rims，將Rubber賦給幾何tires。
圖 2 車輛Steel、Aluminum及Rubber材料定義
選擇PEC材料賦給設(shè)備與車身的接地線groundwires，如下圖所示。
圖 3 接地線的PEC材料定義
線纜的CAD數(shù)據(jù)KBL文件包含了線纜路徑以及物理特征等信息。EMA3D Cable可以直接讀入KBL格式數(shù)據(jù)，自動創(chuàng)建線纜路徑以及橫截面信息。此案例中選擇KBL線纜數(shù)據(jù)文件完成線束信息導(dǎo)入。
圖 4 KBL線纜束數(shù)據(jù)導(dǎo)入
圖 5線纜路徑上橫截面信息查看
修改兩個屏蔽線纜束” CL_014”以及” CL_016_2”的轉(zhuǎn)移電感Transfer Inductance的計算方式為“Fixed Value”。
圖 6設(shè)置屏蔽線束CL_014的轉(zhuǎn)移電感計算方式
3.2.4設(shè)置平面波激勵源
本例中我們定義激勵源為平面波，如下圖所示在Sources中選擇Plane Wave，定義入射方向為Theta=90deg，Phi=90deg，極化角度為Theta=0deg，Phi=0deg。
圖 7 定義平面波激勵源
3.2.5設(shè)置探針
本例中我們關(guān)注Cable Harness “w_200_1”內(nèi)芯上的感應(yīng)電壓噪聲以及屏蔽線纜“CL_016_2”的屏蔽層上的感應(yīng)電流，下一步在對應(yīng)的Cable上定義電壓探針和電流探針。
(1)設(shè)置Voltage Probe。選擇Cable Harness “w_200_1”，定義兩個Terminations，分別端接50Ohm的電阻，求解方式設(shè)置為Boundary。
圖 8 Cable Harness “w_200_1” 端接電阻定義
在菜單MHARNESS中選擇Cable Probes定義Voltage Probe，選擇“w_200_1”這段Cable以及Probe的放置位置，并定義Segment，如下圖所示。
圖 9 定義Cable Voltage Probe并選擇Segment
(2)設(shè)置Current Probe。分別選擇Cable Harness “CL_016_2” ，“W_996_2”和 “W_999_2””定義兩個Terminations，分別端接50Ohm的電阻，求解方式設(shè)置為Boundary。
圖 10 Cable Harness “CL_016_2” 屏蔽層端接電阻定義
圖 11 Cable Harness “W_996_2”端接電阻定義
圖 12 Cable Harness “W_999_2”端接電阻定義
在菜單MHARNESS中選擇Cable Probes定義Current Probe，選擇“CL_016_2”這段Cable以及Probe的放置，并定義Segment，如下圖所示。
圖 13 Cable Harness “W_996_2” 屏蔽層端接電阻定義
(3)設(shè)置Bulk Current。在Cable Harness “bn_964” 創(chuàng)建Bulk Current Probe，監(jiān)測此段線束在X方向上的注入電流。
圖 14 Bulk Current Probe定義
(4)設(shè)置表面感應(yīng)電流監(jiān)測Animation。在EMA3D Probes 中選擇Animation并在結(jié)構(gòu)樹中選擇Car和electronics，定義Probe Type為Electric Current。
圖 15 Car 和 Electronics的表面電流監(jiān)測設(shè)置
3.2.6網(wǎng)格剖分與計算
在File->Space Claim Options-> EMA3D->FDTD Meshing 中設(shè)置Deconfliction Type為“Full”。返回主界面完成網(wǎng)格剖分，并點擊Analysis->Start進(jìn)行求解。
圖 16 網(wǎng)格查看
3.2.7 結(jié)果后處理
在Results下面打開完成的計算數(shù)據(jù)節(jié)點，分別右鍵選擇Voltage，Current，Bulk Current并點擊Plot，即可在Visualization下面看到繪制的2D Plots。分別點擊這些結(jié)果節(jié)點選擇Show可以查看以下計算結(jié)果。
圖 17 Cable “w_200_1” 上的電壓噪聲（時域）
圖 18 Cable “w_200_1” 上的電壓噪聲（頻域）
圖 19 Cable “CL_016_2” 屏蔽層上的感應(yīng)電流噪聲
圖 20 Cable “bn_964” 上的Bulk Current
右鍵點擊Results下面的Animation Probe選擇Generate Animation可生成表面電流的時域動畫圖。將Axis的Maximum設(shè)置為1，得到如下結(jié)果。
圖 21 生成表面電流動畫
3.3仿真結(jié)果分析
案例中EMA3D Cable計算了在高斯脈沖平面波照射下車內(nèi)線纜上的電壓和電流噪聲。通過對時域結(jié)果的FFT變換可以得到線束上的噪聲頻譜，并分析得到線纜對不同頻率電磁波的抗輻射噪聲能力。同時分析車身上的表面電流可以查看車輛不同位置的屏蔽效能。
4 資源效果分析
計算資源統(tǒng)計：CPU主頻 2.6GHz，單核計算，計算時間 1小時12分鐘。如需并行計算，可以在Domain中通過Parallel Divisions可以設(shè)置并行加快仿真速度。
5 結(jié)論
本案例中計算了汽車平臺上的線纜系統(tǒng)在高斯平面波照射下的抗輻射噪聲。EMA3D Cable的時域仿真技術(shù)可以獲得線纜束上的時域噪聲和車內(nèi)外的時域電磁場分布特征。利用內(nèi)置的FFT變化一次計算即可得到關(guān)心頻帶內(nèi)多個頻點的頻域響應(yīng)，計算結(jié)果為研究車輛屏蔽效能、線纜選型、線纜接地等EMC分析及改進(jìn)提供了有力支撐。
